Обратный инжиниринг биологии человека с помощью органов на чипах

"Органы на чипах," добавленные в мае прошлого года в коллекцию Музея современного искусства в Нью-Йорке и обладатели премии Design Award 2015 от Лондонского музея дизайна, сохранили свои "классический" дизайн на протяжении многих лет, но стали более сложными благодаря недавним достижениям. Семейство микросхем, представляющих собой микрожидкостные устройства, содержащие полые каналы, выстланные живыми человеческими клетками, теперь включает в себя все: от легкого на чипе до кишечника на чипе и гематоэнцефалического барьера на нем. -чип. Каждое устройство, по сути, воссоздает функциональный интерфейс между двумя живыми тканями человека, причем одна из них выстлана клетками кровеносных сосудов, содержащими текущие жидкости с питательными веществами, поддерживающими жизнь, в то время как все устройство имитирует физическую среду (дыхательные движения в легких, перистальтика в кишечнике) живых органов в человеческом теле.

Хотя некоторые предполагают, что устройства чрезмерно упрощают биологию человека, путем обратного проектирования структуры органов, чипы смогли воссоздать сложные функции на уровне органов, что привело к новому пониманию того, что необходимо, а что не нужно для функционирования жизни. В комментарии, опубликованном 10 марта в Cell – части специального выпуска о биологии коммуникации – Дональд Ингбер, директор Института биологической инженерии Висса при Гарвардском университете, описывает, как органы на чипах предлагают новый мощный способ анализировать функции органов и патофизиологию человека, а также предоставлять потенциальный способ заменить испытания на животных и продвинуть персонализированную медицину.

"Мы не пытаемся восстановить человеческий орган," Ингбер говорит. "Мы пытаемся разработать культуральную среду для живых клеток человека с минимальными конструктивными особенностями, которые побудят их воссоздавать структуры и функции на уровне органов, чтобы имитировать физиологию, которую мы видим в человеческом теле."

Ингбер рассматривает моделирование человеческого органа как проблему системного уровня. В то время как недавние достижения в области органоидов предоставляют новые возможности для наблюдения и управления развитием тканей человека in vitro, исследователи могут использовать органы на чипах для изучения того, как несколько различных типов клеток и тканей, включая эпителий, эндотелий сосудов, иммунные клетки, а также комменсальные и патогенные микробы – общаются для регулирования патофизиологии целых организмов. "Коммуникация в биологии – это передача информации," он говорит. "Будь то на молекулярном, клеточном, тканевом, органном уровне или на уровне всего тела, жизнь заключается в том, что эта информация интегрирована в разных масштабах и на разных уровнях сложности."

Например, легкое на чипе, разработанное Ингбером в 2010 году вместе с инженером-биомедиком Донгеном (Дэн) Хью, началось с минимум двух близко расположенных тканей: одна – слой клеток воздушного мешка легких, а другая – кровеносный сосуд. клетки – в двухканальном устройстве, в котором клетки легких покрыты воздухом, а жидкая среда, содержащая лейкоциты человека, непрерывно течет по клеткам сосудов так же, как кровь течет по сосудам нашего тела. Чип также подвергает ткани циклическим растягивающим и расслабляющим движениям, имитирующим дыхательные движения. С помощью чипов исследователи могут измерить, как бактериальные инфекции или переносимые по воздуху частицы вызывают травмы и воспаления, а также то, как определенные лекарства вызывают перемещение жидкости в воздушное пространство, вызывающее отек легких. Совсем недавно было показано, что небольшие легочные чипы дыхательных путей, созданные из клеток легких, взятых у пациентов с хронической обструктивной болезнью легких (ХОБЛ), имитируют обострения воспаления легких, вызванные вирусными или бактериальными инфекциями, аналогично тем, которые наблюдаются у пациентов с ХОБЛ.

Несмотря на то, что это абстракция легкого, биология, отображаемая на чипе, последовательно воспроизводит реакции, наблюдаемые как у животных, так и у людей. Различные микросхемы органов также были связаны проточной средой, чтобы моделировать взаимодействие нескольких органов. Некоторые из самых удивительных результатов этих экспериментов касаются того, как мало вам нужно для воспроизведения того, что часто считается сложной биологией.

"С органами на чипах мы можем получить комбинацию из двух или трех типов тканей, а затем добавить иммунные клетки или микробы," Ингбер говорит. "Затем мы можем выборочно изменить каждый параметр управления и посмотреть, что он делает – как каждый из них вносит свой вклад в отдельности, как они вносят свой вклад вместе или в различных комбинациях – я не знаю ни одной другой системы, где мы могли бы сделать это с человеческими клетками в ткани. на уровне органов."

Комбинация «орган на чипе» с технологией стволовых клеток также предлагает возможности для улучшения персонализированной медицины. Например, Ингбер предполагает, что путем создания индуцированной ткани человека, полученной из плюрипотентных стволовых клеток, у пациентов, можно было бы проводить скрининг лекарств на чипах, созданных с их клетками, а затем, в случае успеха, тестировать потенциальное лекарство на тех же пациентах. Этот тип персонализированной программы разработки лекарств позволит сэкономить деньги на неудавшихся клинических испытаниях и ускорит доступ новых лекарств к пациентам, которые немедленно принесут пользу.

"Органы на чипах позволяют проводить исследования, которые имеют гораздо большее значение для человека, чем работа с клетками животных или даже с человеческими клетками на жестких чашках" Ингбер говорит. "Я думаю, что идея персонализированной медицины, объединяющей чипы с индуцированными плюрипотентными стволовыми клетками, может быть трансформирующей."

PHOTOINTERVIEW.RU